Способ синхронизации часов и устройство для его реализации



Способ синхронизации часов и устройство для его реализации
Способ синхронизации часов и устройство для его реализации
Способ синхронизации часов и устройство для его реализации
Способ синхронизации часов и устройство для его реализации

 


Владельцы патента RU 2535653:

Закрытое акционерное общество "Институт прикладной астрономии" (ЗАО "ИПА") (RU)

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано в радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (PCДБ), а также в службе единого времени и частоты. Устройство для синхронизации часов, реализующее предлагаемый способ, содержит ИСЗ-ретранслятор, первый и второй наземные пункты, каждый из которых содержит стандарт 1 частоты и времени, первый 2.1 и второй 2.2 гетеродины, генератор 3 псевдослучайного сигнала, переключатель 4, смесители 5, 13, 19, 28 и 30, усилитель 6 первой промежуточной частоты, первый 7 и второй 12 усилители мощности, дуплексер 8, приемопередающую антенну 9, первый 10 и второй 15 клипперы, первое 11 и второе 16 буферные запоминающие устройства, измеритель 17 задержек и их производных, первый 18 и второй 21 фазовращатели на 90°(-90°), первый 14 и второй 20 усилители второй промежуточной частоты, сумматор 22, первый 23 и второй 34 перемножители, узкополосный фильтр 24, амплитудный детектор 25, ключ 26, блок 27 эталонных частот, усилитель 29 третьей промежуточной частоты, первый 31 и второй 35 фильтры нижних частот, измеритель 32 доплеровской частоты, коррелятор 33, экстремальный регулятор 36, блок 37 регулируемой задержки и индикатор 38 дальности. Технический результат заключается в повышении точности синхронизации удаленных шкал времени путем измерения расстояния от наземного пункта до ИСЗ-ретранслятора, скорости и направления его перемещения относительно наземного пункта. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

 

Предлагаемый способ и устройство относятся к технике связи и могут быть использованы в радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (PCДБ), а также в службе единого времени и частоты.

Известны способы и устройства синхронизации часов (авт. свид. СССР №№591.799, 614.416, 970.300, 1.180.835, 1.244.632, 1.278.800; патенты РФ №№2.000.143, 2.003.157, 2.040.035, 2.177.167, 2.292.574, 2.386.159, 2.439.643; B.C. Губанов, A.M. Финкельштейн, П.А. Фридман. Введение в радиоастрометрию. - М.: 1983 и другие).

Из известных способов и устройств наиболее близким к предлагаемому является «Способ синхронизации часов» (патент РФ № 2.292.574, G04C 11/02, 2005) и устройство для его реализации, которые и выбраны в качестве прототипов.

Известные способ и устройство обеспечивают сличение шкал времени, разнесенных на большие расстояния, и основаны на использовании дуплексного метода связи через геостационарный ИСЗ-ретранслятор.

Основное достоинство дуплексного метода связи состоит в том, что в нем исключается длина трассы прохождения сигнала. Поэтому его точность в основном зависит от параметров бортового ретранслятора, типа используемого сигнала, техники измерения временных интервалов, расстояния от наземного пункта до ИСЗ-ретранслятора, скорости и направления его перемещения относительно наземных пунктов, которые определяются доплеровским смещением несущей частоты используемых сигналов.

Технической задачей изобретения является повышение точности синхронизации удаленных шкал времени путем измерения расстояния от наземного пункта до ИСЗ-ретранслятора, скорости и направления его перемещения относительно наземного пункта.

Поставленная задача решается тем, что способ синхронизации часов, основанный, в соответствии с ближайшим аналогом, на одновременном приеме разнесенными пунктами шумоподобных СВЧ-сигналов с борта искусственного спутника Земли, когерентном их преобразовании к видеочастоте, цифровой регистрации принятых сигналов и определении временной задержки прихода одного и того же сигнала в пункты синхронизации методом корреляционной обработки зарегистрированных сигналов, по величине которой производят сличение шкал времени, при этом в начальный момент времени t1 по часам первого пункта с помощью кодовой последовательности формируют шумоподобный СВЧ-сигнал, регистрируют его на этом же пункте, сформированный сигнал преобразуют на частоту ω1, усиливают его по мощности, излучают усиленный сигнал в направлении на искусственный спутник Земли-ретранслятор, в тот же момент времени t1 по часам второго пункта с помощью такой же кодовой последовательности формируют такой же шумоподобный СВЧ-сигнал, регистрируют его на втором пункте, принимают бортовой аппаратурой искусственного спутника Земли-ретранслятора сигнал на частоте ω1, переизлучают его на первой и второй пункты на частоте ω2 с сохранением фазовых соотношений, в произвольный момент времени t3 по часам второго пункта аналогично формируют и ретранслируют шумоподобный СВЧ-сигнал, сформированный сигнал преобразуют на частоту ω1, усиливают его по мощности, излучают усиленный сигнал в направлении того же ИСЗ-ретранслятора, в тот же момент времени t3 по часам первого пункта с помощью такой же кодовой последовательности формируют такой же шумоподобный СВЧ-сигнал, регистрируют его на первом пункте, принимают бортовой аппаратурой ИСЗ-ретранслятора сигнал на частоте ω1 и переизлучают его на первый и второй пункты на частоте ω2 с сохранением фазовых соотношений, принимаемый сигнал на частоте ω2 преобразуют по частоте с использованием напряжения второго гетеродина, сдвинутого по фазе на +90°, выделяют напряжение второй промежуточной частоты, сдвигают его по фазе на -90°, суммируют с исходным напряжением второй промежуточной частоты, перемножают полученное суммарное напряжение с принимаемым сигналом, выделяют гармоническое напряжение на частоте ωГ2 второго гетеродина, детектируют его и используют для разрешения дальнейшей обработки принимаемого сигнала, отличается от ближайшего аналога тем, что полученное суммарное напряжение преобразуют по частоте с использованием напряжения первой эталонной частоты ωЭ1, выделяют напряжение третьей промежуточной частоты

ωпр3пр2ДЭ1,

преобразуют его по частоте с использованием напряжения второй эталонной частоты

ωЭ2пр2Э10,

где Ω0 - частота подставки, которая вводится для определения знака доплеровского смещения ΩД, выделяют напряжение низкой частоты

ωНД0,

измеряют низкую частоту ωН и в зависимости от того ωН0 или ωН0, определяют знак доплеровского смещения, а следовательно, и направление радиальной скорости ИСЗ-ретранслятора, одновременно полученное суммарное напряжение перемножают с шумоподобным СВЧ-сигналом, пропущенным через блок регулируемой задержки, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное корреляционной функции R(τ), где τ - текущая временная задержка, изменяют временную задержку τ до получения равенства τ=τЗ, что соответствует максимальному значению корреляционной функции R(τ), поддерживают ее и определяют дальность от наземного пункта до ИСЗ-ретранслятора по формуле

R = c τ З 2 ,

где с - скорость распространения радиоволн.

Поставленная задача решается тем, что устройство для синхронизации часов, содержащее геостационарный ИСЗ-ретранслятор, первый и второй наземные пункты, каждый из которых содержит последовательно включенные стандарт частоты и времени, первый гетеродин, первый смеситель, второй вход которого через переключатель соединен с первым выходом генератора псевдослучайного сигнала, усилитель первой промежуточной частоты, первый усилитель мощности, дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второй усилитель мощности, второй смеситель, второй вход которого через второй гетеродин соединен с первым выходом стандарта частоты и времени, первый усилитель второй промежуточной частоты, сумматор, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, узкополосный фильтр, амплитудный детектор, ключ, второй вход которого соединен с выходом сумматора, второй клиппер, второй вход которого соединен с вторым выходом стандарта частоты и времени, второе буферное запоминающее устройство и измеритель задержек и их производных, выход которого является выходом наземного пункта, последовательно подключенные к третьему выходу стандарта частоты и времени генератор псевдослучайного сигнала, первый клиппер, второй вход которого соединен с вторым выходом стандарта частоты и времени, и первое буферное запоминающее устройство, выход которого соединен с вторым входом измерителя задержек и их производных, последовательно подключенные к выходу второго гетеродина первый фазовращатель на 90°, третий смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, второй усилитель второй промежуточной частоты и второй фазовращатель на 90°, выход которого соединен с вторым входом сумматора, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено блоком эталонных частот, четвертым и пятым смесителями, усилителем третьей промежуточной частоты, вторым перемножителем, двумя фильтрами нижних частот, экстремальным регулятором, блоком регулируемой задержки, индикатором дальности и измерителем доплеровской частоты, причем к выходу ключа последовательно подключены четвертый смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом блока эталонных частот, усилитель третьей промежуточной частоты, пятый смеситель, второй вход которого соединен с вторым выходом блока эталонных частот, первый фильтр нижних частот, первый фильтр нижних частот и измеритель доплеровской частоты, к выходу ключа последовательно подключены второй перемножитель второй фильтр нижних частот, экстремальный регулятор и блок регулируемой задержки, второй вход которого соединен с выходом генератора псевдослучайного сигнала, первый выход - соединен с вторым входом второго перемножителя, а второй выход подключен к индикатору дальности.

Геометрическая схема расположения пунктов A, B и ИСЗ-ретранслятора S изображена на фиг.1, где введены следующие обозначения: O - центр масс Земли; d - база интерферометра; r - радиус-вектор ИСЗ-ретранслятора.

Временная диаграмма дуплексного метода сличения часов представлена на фиг.2, где введены следующие обозначения: S, A, B - шкалы времени ИСЗ-ретранслятора, наземных пунктов A и B соответственно.

Структурная схема аппаратуры одного из наземных пунктов (A), реализующей предлагаемый способ синхронизации часов, представлена на фиг.3.

Частотная диаграмма, иллюстрирующая преобразование сигналов, показана на фиг.4.

Устройство для синхронизации часов содержит последовательно включенные стандарт 1 частоты и времени, первый гетеродин 2.1, первый смеситель 5, второй вход которого через переключатель 4 соединен с первым выходом генератора псевдослучайного сигнала, усилитель 6 первой промежуточной частоты, первый усилитель 7 мощности, дуплексер 8, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 9, второй усилитель 12 мощности, второй смеситель 13, второй вход которого через второй гетеродин 2.2 соединен с первым выходом стандарта 1 частоты и времени, первый усилитель 14 второй промежуточной частоты, сумматор 22, первый перемножитель 23, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя 12 мощности, узкополосный фильтр 24, амплитудный детектор 25, ключ 26, второй вход которого соединен с выходом сумматора 22, второй клиппер 15, второй вход которого соединен с вторым выходом стандарта 1 частоты и времени, второе буферное запоминающее устройство 16 и измеритель 17 задержек и их производных, выход которого является выходом аппаратуры наземного пункта. К третьему выходу стандарта 1 частоты и времени последовательно подключены генератор 3 псевдослучайного сигнала, первый клиппер 10, второй вход которого соединен с вторым выходом стандарта 1 частоты и времени, и первое буферное запоминающее устройство 11, выход которого соединен с вторым входом измерителя 17 задержек и их производных. К выходу второго гетеродина 2.2 последовательно подключены первый фазовращатель 18 на 90°, третий смеситель 19, второй вход которого соединен со выходом второго усилителя 12 мощности, второй усилитель 20 второй промежуточной частоты и второй фазовращатель 21 на -90°, выход которого соединен с вторым входом сумматора 22. К выходу ключа 26 последовательно подключены четвертый смеситель 28, второй вход которого соединен с первым выходом блока 27 эталонных частот, усилитель 29 третьей промежуточной частоты, пятый смеситель 30, второй вход которого соединен со вторым выходом блока 27 эталонных частот, первый фильтр 31 нижних частот и измеритель 32 доплеровской частоты. К выходу ключа 26 последовательно подключены второй перемножитель 34, второй фильтр 35 нижних частот, экстремальный регулятор 36 и блок 37 регулируемой задержки, второй вход которого соединен с выходом генератора 3 псевдослучайного сигнала, первый выход соединен с вторым входом второго перемножителя 34, второй выход - подключен к индикатору 38 дальности.

Второй перемножитель 34, второй фильтр 35 нижних частот, экстремальный регулятор 36 и блок 37 регулируемой задержки образуют коррелятор 33.

Синхронизацию часов по предлагаемому способу осуществляют следующим образом.

В момент времени t 1 A по часам первого пункта А с помощью кодовой последовательности формируют шумоподобный СВЧ-сигнал (сигнал α1) (фиг.2):

uc(t)=Uccos[ωct+φk(t)+φc], 0≤t≤Tc,

где Uc, ωc, φc, Tc - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала;

φk(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с кодовой последовательностью M(t), причем φk(t)=const при kτэ<t<(k+1)τэ и может изменяться скачком при t=kτэ, т.е. на границах между элементарными посылками (K=1, 2, … N-1);

τэ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Tc (Tc=Nτэ), в генераторе 3 с помощью стандарта 1 частоты и времени.

Указанный сигнал поступает на вход клиппера 10, а затем регистрируется в буферном запоминающем устройстве 11. Регистрация синхронизуется стандартом 1 частоты и времени.

Сформированный сигнал uc(t) поступает на первый вход первого смесителя 5, на второй вход которого подается напряжение первого гетеродина 2.1

uГ1(t)=UГ1cos(ωГ1t+φГ1).

На выходе смесителя 5 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 6 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты

uпр1(t)=Uпр1cos[ωпр1t+φk(t)+φпр1], 0≤t≤Tc,

где U пр1 = 1 2 K 1 U c U Г 1 ;

K1 - коэффициент передачи смесителя;

ωпр1cГ1 - первая промежуточная (суммарная) частота;

φпр1cГ1,

которое после усиления в усилителе 7 мощности через дуплексер 8 и приемопередающую антенну 9 излучается в направлении ИСЗ-ретранслятора на частоте ω1пр1.

В тот же момент времени t 1 A = t 1 B по часам второго пункта В с помощью такой же кодовой последовательности M(t) формируют такой же шумоподобный СВЧ-сигнал (сигнал β1). Регистрируют его на втором пункте В (сигнал β1, который однако не отправляют на ретрансляцию). Принимают бортовой аппаратурой ИСЗ-ретранслятора на частоте ω1 (сигнал α1), переизлучают его на пункты А и В на частоте ω2 с сохранением фазовых соотношений на интервале tc.

Ретранслированный сигнал (сигнал α2) на частоте ω2

u2(t)=U2cos[(ω2±ΩД)(t-τP)+φk(t-τз)+φ2], 0≤t≤Tc,

где ±′Ωд - доплеровское смещение частоты;

τ 3 = 2 R c - время запаздывания ретранслированного сигнала относительно запросного;

R - расстояние от наземного пункта до ИСЗ-ретранслятора;

с - скорость распространения радиоволн, принимается приемопередающей антенной 9 и через дуплексер 8 и усилитель 12 мощности поступает на первые входы второго 13 и третьего 19 смесителя и первого перемножителя 23. На вторые входы смесителей 13 и 19 подаются напряжения второго гетеродина 2.2:

uГ2(t)=UГ2cos(ωГ2t+φГ2)

uГ3(t)=UГ2cos(ωГ2t+φГ2+90°).

Причем частоты ωГ1 и ωГ2 первого 2.1 и второго 2.2 гетеродинов разнесены на значение второй промежуточной частоты (фиг.4)

ωГ2Г1пр2.

На выходе смесителей 13 и 19 образуется напряжение комбинационных частот. Усилителями 14 и 20 выделяются напряжения второй промежуточной (разностной) частоты:

uпр2(t)=Uпр2cos[(ωпр2±ΩД)(t-τз)+φk(t-τз)+φпр2],

uпр3(t)=Uпр2cos[(ωпр2±ΩД)(t-τз)+φk(t-τз)+φпр2+90°], 0≤t≤Tc,

где U пр2 = 1 2 K 1 U 2 U Г 2 ;

K1 - коэффициент передачи смесителя

ωпр2Г22 - вторая промежуточная (разностная) частота;

φпр2Г22.

Напряжение uпр3(t) с выхода усилителя 20 второй промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 21 на -90°, на выходе которого образуется напряжение

uпр4(t)=Uпр2cos[(ωпр2t±ΩД)(t-τз)+φk(t-τз)+φпр2+90°-90°]=

=Uпр2cos[(ωпр2t±ΩД)+φk(t-τз)+φпр2].

Напряжения uпр2(t) и uпр4(t) с выхода усилителя 14 второй промежуточной частоты и фазовращателя 21 на -90° поступают на два входа сумматора 22, на выходе которого образуется суммарное напряжение

uΣ(t)=UΣcos[(ωпр2±ΩД)+φk(t-τз)+φпр2], 0≤t≤Ic,

где UΣ=2Uпр2,

которое поступает на второй вход первого перемножителя 23. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение

u1(t)=U1cos(ωU2t+φГ2), 0≤t≤Tc,

где U 1 = 1 2 K 2 U 2 U п р 2 ;

K2 - коэффициент передачи перемножителя,

которое выделяется узкополосным фильтром 24 (частота настройки ωH которого выбирается равной частоте ωГ2 второго гетеродина 2.2 ωHГ2), детектируется амплитудным детектором 25 и поступает на управляющий вход ключа 26, открывая его. В исходном состоянии ключ 26 всегда закрыт.

При этом напряжение uΣ(t) с выхода сумматора 22 через открытый ключ 26 поступает одновременно на первый вход второго клиппера 15, четвертого смесителя 28 и второго перемножителя 34. Во втором клиппере 15 указанное суммарное напряжение uΣ(t) клиппируется, а затем записывается во второе запоминающее устройство 16. Регистрация синхронизируется стандартом 1 частоты и времени.

Для определения скорости и направления перемещения ИСЗ-ретранслятора относительно наземного пункта необходимо измерять доплеровский сдвиг частоты ±′ΩД. Для этого используется многократное преобразование частоты принимаемого сигнала. Оно необходимо потому, что относительное значение доплеровского сдвига ′ΩД2, равное отношению скоростей VR/c, где VR - радиальная составляющая скорости ИСЗ-ретранслятора, с - скорость распространения радиоволн, не превышает 10-4. В этих условиях выделение доплеровского сдвига при однократном преобразовании частоты принимаемого сигнала требует использования контуров с очень высокой, практически недостижимой добротностью.

Суммарное напряжение uΣ(t) с выхода сумматора 22 через открытый ключ 26 поступает на первый вход четвертого смесителя 28, на второй вход которого подается напряжение первой эталонной частоты ωЭ1 с первого выхода блока 27 эталонных частот. На выходе смесителя 28 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 29 выделяется напряжение третьей промежуточной частоты

ωпр3пр2ДЭ1,

которое поступает на первый вход пятого смесителя 30. На второй вход последнего подается напряжение второй эталонной частоты

ωЭ2пр2Э10,

где ′Ω0 - частота подставки, которая вводится для определения знака доплеровского смещения ′Ω0. Номинальная частота подставки выбирается из условия

Ω 0 > > | Ω Д max | = ω 2 | V R max | c .

На выходе смесителя 30 образуются напряжения комбинационных частот. Фильтром 31 нижних частот выделяется напряжение низкой частоты

ωHД0,

которое поступает на вход измерителя 32 доплеровской частоты, где и производится измерение доплеровского смещения ′ΩД.

При этом в зависимости от того, ωH>′Ω0 или ωH<′Ω0, определяют знак доплеровского смещения, а следовательно, и направление радиальной скорости ИСЗ-ретранслятора.

Суммарное напряжение uΣ(t) также поступает на первый вход второго перемножителя 34, на второй вход которого с выхода генератора 3 псевдослучайного сигнала подается шумоподобный СВЧ-сигнал uc(t) через блок 37 регулируемой задержки. Полученное на выходе перемножителя 34 напряжение пропускается через фильтр 35 нижних частот, на выходе которого формируется корреляционная функция R(τ), где τ - текущая временная задержка. Экстремальный регулятор 36, предназначенный для поддержания максимального значения корреляционной функции R(τ) и подключенный к выходу фильтра 35 нижних частот, воздействует управляющий вход блока 37 регулируемой задержки и поддерживает вводимую им задержку τ равной τЗ (τ=τЗ), что соответствует максимальному значению корреляционной функции R(τ). Индикатор дальности 38, связанный со шкалой блока 37 регулируемой задержки, позволяет непосредственно считывать измеренное значение расстояния R от наземного пункта до ИСЗ-ретранслятора по формуле

R = c τ З 2 ,

где с - скорость распространения радиоволн.

Следовательно, задача измерения расстояния R от наземного пункта до ИСЗ-ретранслятора сводится к автоматическому измерению временной задержки τЗ ретранслированного сигнала относительно запросного.

На втором шаге (при передаче сигнала из пункта B) переключатель 4 должен быть разомкнут и сигнал α3 из генератора 3 через клиппер 10 поступает в то же запоминающее устройство 11. Ретранслированный сигнал α4 записывается, как и α2, в запоминающее устройство 16.

В произвольный момент времени t 3 В = t 2 B + Θ по часам второго пункта аналогично формируют и регистрируют шумоподобный СВЧ-сигнал (сигнал β3). Сформированный сигнал преобразуют на частоте ω1, усиливают его по мощности, излучают усиленный сигнал в направлении того же ИСЗ-ретранслятора.

В тот же момент времени t 3 В = t 3 A по часам первого пункта A с помощью той же кодовой последовательности формируют такой же шумоподобный СВЧ-сигнал (сигнал α3). Регистрируют его на первом пункте A. Принимают бортовой аппаратурой ИСЗ-ретранслятора сигнал на частоте ω1 (сигнал α3), переизлучают его на пункты A и B на частоте ω2 с сохранением фазовых соотношений, принимают ретранслированный сигнал на обоих пунктах, преобразуют его на видеочастоту, регистрируют в моменты времени t 4 A и   t 4 B соответственно (сигнал α4, β4).

Корреляционной обработкой двух пар зарегистрированных сигналов в измерителе 17 определяют на каждом пункте следующие временные задержки:

τ 1 = β 1 β 2 = t 2 B t 1 B = a 1 + b 1 + ( Δ B И + Δ В П + Δ S ) + Δ t ,

τ 2 = α 3 α 4 = t 4 A t 3 A = a 3 + b 2 + ( Δ B И + Δ А П + Δ S ) Δ t ,

τ 3 = α 1 α 2 = t 2 A t 1 A = a 1 + a 2 + ( Δ A И + Δ А П + Δ S ) ,

τ 4 = β 3 β 4 = t 4 B t 3 B = b 2 + b 3 + ( Δ B И + Δ B П + Δ S ) ,

и соответствующие им частоты интерференции Fi (i=1, 2, 3, 4), которые определяют производные этих задержек:

τ ˙ i = d τ i d t = F i f ¯ ,

где f ¯ = ( f 1 + f 2 ) 2 ,

aj, bj (j=1, 2, 3) - время распространения сигнала между ИСЗ и пунктами A и B соответственно (фиг.1);

Δ А И ,   Δ В И - задержки сигналов в излучающей аппаратуре обоих пунктов;

Δ А П ,   Δ В П - задержки сигналов в приемно-регистрирующей аппаратуре;

ΔS - задержка сигналов в бортовом ИСЗ-ретрансляторе;

Δ t = t 1 B   t 1 A - искомая разность показаний часов в один и тот же физический момент.

Полагая aj и bj линейными функциями с производными aj= a ˙ , bj= b ˙ , получаем:

Δ t = 1 2 ( τ 1 τ 2 ) + γ + δ + ε + ν ) ,

где

γ = 1 2 ( f + 2 b + Θ ) a ˙ + 1 2 ( b + Θ ) b ˙ ,

δ = 1 2 ( Δ A П Δ В П ) 1 2 ( Δ А И Δ В И ) ,

ε = 1 2 ( Δ А ' ' Δ A ' ) 1 2 ( Δ В ' ' Δ В ' ) ,

ν = 2 ω D c 2 ,

ΔА,В′, ΔА,В′′ - задержки сигнала в атмосфере на частотах ω1 и ω2 соответственно;

ν - релятивистская поправка (эффект Саньяка);

ω - угловая скорость вращения Земли;

c - скорость света;

D - площадь четырехугольника OA′S′B′, образуемого в экваториальной плоскости центром масс Земли, проекциями пунктов A, B и ИСЗ-ретранслятора S.

Поправки γ на подвижность ИСЗ-ретранслятора во время единичного измерения проще всего свести к нулю соответствующим выбором свободного параметра Θ:

Θ 0 = [ a ˙ ( a + b ) ( a ˙ + b ˙ ) + b ] 1 2 [ τ ˙ 3 ( τ 1 + τ 2 ) ( τ ˙ 1 + τ ˙ 2 ) + τ ˙ 4 ] ,

который следует в начале измерений рассчитывать по приближенным эфемеридным данным, а затем уточнить по результатам текущих измерений.

Что касается поправки δ на аппаратурные задержки, то ее можно найти путем калибровки по методу «нулевой базы».

Атмосферная поправка ε также учитывается.

На пункте B аппаратура работает аналогично, только порядок шагов там обратный. Для вычисления разности показаний часов Δt теперь достаточно обменяться между пунктами полученными цифровыми данными, что можно делать по обычным телефонным или телеграфным каналам связи.

Описанная выше работа устройства, реализующего предлагаемый способ, соответствует приему полезных сигналов по основному каналу на частоте ω2 (фиг.4).

Если ложный сигнал (помеха)

uЗ(t)=UЗcos(ωЗt+φЗ), 0≤t≤TЗ,

принимается по зеркальному каналу на частоте ωЗ, то усилителями 14 и 20 второй промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:

uпр5(t)=Uпр5cos(ωпр2t+φпр5),

uпр6(t)=Uпр5cos(ωпр2t+φпр5-90°), 0≤t≤TЗ,

где U пр5 = 1 2 K 1 U З U Г 2 ;

K1 - коэффициент передачи усилителя,

ωпр2ЗГ2 - вторая промежуточная (разностная) частота;

φпр5ЗГ2.

Напряжение uпр6(t) с выхода усилителя 20 второй промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 21 на -90°, на выходе которого образуется следующее напряжение

uпр7(t)=Uпр5cos(ωпр2t+φпр5-90°-90°)=-Uпр5cos(ωпр2t+φпр5), 0≤t≤Tp.

Напряжения uпр5(t) и uпр7(t), поступающие на два входа сумматора 22, на его выходе компенсируются.

Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по зеркальному каналу на частоте ωЗ, подавляется.

По аналогичной причине подавляется и ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму комбинационному каналу на частоте ωк2.

Если ложный сигнал (помеха) принимается по первому комбинационному каналу на частоте ωк1

uK1(t)=UK1cos(ωK1t+φК1), 0≤t≤TК1,

то усилителями 14 и 20 второй промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:

uпр8(t)=Uпр2cos(ωпр2t+φпр8),

uпр9(t)=Uпр8cos(ωпр2t+φпр8+90°), 0≤t≤ТК1,

где U пр8 = 1 2 K 1 U K 1 U Г 2 ;

ωпр2=2ωГ2К1 - вторая промежуточная (разностная) частота;

φпр8Г2К1.

Напряжение uпр9(t) с выхода усилителя 20 второй промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 21 на -90°, на выходе которого образуется напряжение

uпр10(t)=Uпр8cos(ωпр2t+φпр8+90°-90°)=Uпр8cos(ωпр2t+φпр8), 0≤t≤TК1.

Напряжения uпр8(t) и uпр10(t) поступают на два входа сумматора 22, на выходе которого образуется следующее суммарное напряжение

uΣ1(t)=UΣ1cos(ωпр2t+φпр8), 0≤t≤TK1,

где UΣ1=2Uпр8.

Это напряжение подается на второй вход перемножителя 23, на выходе которого образуется следующее гармоническое напряжение

u2(t)=U2cos(2ωГ2t+φГ2), 0≤t≤TК1,

где U 2 = 1 2 K 2 U K 1 U Σ 1 .

Это напряжение не попадает в полосу пропускания узкополосного фильтра 24. Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому комбинационному каналу на частоте ωК1 подавляется.

Способ синхронизации часов позволяет:

- достичь предельной точности измерений (около ±0,1 нс) с помощью PCДБ техники и техники ретрансляции, которая уже широко используется на практике;

- формировать необходимые для проведения измерения СВЧ-сигналы на наземных пунктах, что дает возможность постепенно наращивать точность измерений за счет оптимизации структуры сигнала и усовершенствования наземной техники регистрации без вмешательства в бортовую аппаратуру ИСЗ;

- повысить оперативность измерений, т.е. довести интервал времени от начала измерений до получения результатов вплоть до нескольких десятков секунд (практически до времени корреляционной обработки сигналов);

- избежать установки на борту ИСЗ высокостабильных хранителей времени и измерителей временных интервалов, ограничить бортовую аппаратуру только системой фазостабильной ретрансляции СВЧ-сигналов.

Предлагаемый способ обеспечивает повышение помехоустойчивости и точности синхронизации удаленных шкал времени. Это достигается подавлением ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам.

Причем подавление ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и второму комбинационному каналу, обеспечивается фазокомпенсационным методом, который реализуется гетеродином 2.2, смесителями 13 и 19, усилителями 14 и 20 второй промежуточной частоты, фазовращателями 18 и 21 на +90° и -90° и сумматором 22.

Подавление ложных сигналов (помех), принимаемых по первому комбинационному каналу, обеспечивается методом узкополосной фильтрации, который реализуется перемножителем 23, узкополосым фильтром 24, амплитудным детектором 25 и ключом 26.

Таким образом, предлагаемый способ и устройство по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение точности синхронизации удаленных шкал времени. Это достигается измерением расстояния R от наземного пункта до ИСЗ-ретранслятора, скорости и направления его перемещения на геостационарной орбите относительно наземного пункта.

При этом измерение радиальной скорости ИСЗ-ретранслятора осуществляется с использованием многократного преобразования частоты принимаемого сигнала, отличается сравнительной простотой и не имеет ограничений на количество наземных пунктов, осуществляющих измерение радиальной скорости ИСЗ-ретранслятора.

Измерение расстояния R от наземного пункта до ИСЗ-ретранслятора осуществляется автоматически с использованием замечательного свойства корреляционной функции R(τ) шумоподобных СВЧ-сигналов, которая имеет значительный главный лепесток и сравнительно низкий уровень боковых лепестков.

1. Способ синхронизации часов, основанный на одновременном приеме разнесенными наземными пунктами шумоподобных СВЧ-сигналов с борта искусственного спутника Земли, когерентном их преобразовании к видеочастоте, цифровой регистрации принятых сигналов и определении временной задержки прихода одного и того же сигнала в пункты синхронизации методом корреляционной обработки зарегистрированных сигналов, по величине которой производят сличение шкал времени, при этом в начальный момент времени t1 по часам первого пункта с помощью кодовой последовательности формируют шумоподобный СВЧ-сигнал, регистрируют его на этом же пункте, сформированный сигнал преобразуют на частоту ω1, усиливают его по мощности, изучают усиленный сигнал в направлении на искусственный спутник Земли-ретранслятор, в тот же момент времени t1 по часам второго пункта с помощью такой же кодовой последовательности формируют такой же шумоподобный СВЧ-сигнал, регистрируют его на втором пункте, принимают бортовой аппаратурой искусственного спутника Земли-ретранслятора сигнал на частоте ω1 переизлучают его на первый и второй пункты на частоте ω2 с сохранением фазовых соотношений, в произвольный момент времени t3 по часам второго пункта аналогично формируют и регистрируют шумоподобный СВЧ-сигнал, сформированный сигнал преобразуют на частоту ω1, усиливают его по мощности, излучают усиленный сигнал в направлении того же искусственного спутника Земли-ретранслятора, в тот же момент времени t3 по часам первого пункта с помощью такой же кодовой последовательности формируют такой же шумоподобный СВЧ-сигнал, регистрируют его на первом пункте, принимают бортовой аппаратурой искусственного спутника Земли-ретранслятора сигнал на частоте ω1 и переизлучают его на первый и второй пункты на частоте ω2 с сохранением фазовых соотношений, принимаемый сигнал на частоте ω2 преобразуют по частоте с использованием напряжения второго гетеродина, сдвинутого по фазе на +90°, выделяют напряжение второй промежуточной частоты, сдвигают его по фазе на -90°, суммируют с исходным напряжением второй промежуточной частоты, перемножают полученное суммарное напряжение с принимаемым сигналом, выделяют гармоническое напряжение на частоте ωГ2 второго гетеродина, детектируют его и используют для разрешения дальнейшей обработки принимаемого сигнала, отличающийся тем, что
полученное суммарное напряжение преобразуют по частоте с использованием напряжения первой эталонной частоты ωЭ1, выделяют напряжение третьей промежуточной частоты
ωпр3пр2ДЭ1,
преобразуют его по частоте с использованием напряжения второй эталонной частоты
ωЭ2пр2Э10,
где Ω0 - частота подставки, которая вводится для определения знака доплеровского смещения ΩД,
выделяют напряжение низкой частоты ωНД0, измеряют низкую частоту ωН и в зависимости от того ωН 0 или ωН0, определяют знак доплеровского смещения, а следовательно, и направление радиальной скорости ИСЗ-ретранслятора, одновременно полученное суммарное напряжение перемножают с шумоподобным СВЧ-сигналом, пропущенным через блок регулированной задержки, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное корреляционной функции R(τ), где τ - текущая временная задержка, изменяют временную задержку τ до получения равенства τ=τэ, что соответствует максимальному значению корреляционной функции R(τ), поддерживают ее и определяют дальность от наземного пункта до ИСЗ-ретранслятора по формуле
R = c τ Э 2 ,
где с - скорость распространения радиоволн.

2. Устройство для синхронизации часов, содержащее геостационарный ИСЗ-ретранслятор, первый и второй наземные пункты, каждый из которых содержит последовательно включенные стандарт частоты и времени, первый гетеродин, первый смеситель, второй вход которого через переключатель соединен с первым выходом генератора псевдослучайного сигнала, усилитель первой промежуточной частоты, первый усилитель мощности, дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второй усилитель мощности, второй смеситель, второй вход которого через второй гетеродин соединен с первым выходом стандарта частоты и времени, первый усилитель второй промежуточной частоты, сумматор, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, узкополосный фильтр, амплитудный детектор, ключ, вход которого соединен с выходом сумматора, второй клиппер, второй вход которого соединен с вторым выходом стандарта частоты и времени, второе буферное запоминающее устройство и измеритель задержек и их производных, выход которого является выходом наземного пункта, последовательно подключенных к третьему выходу стандарта частоты и времени генератора псевдослучайного сигнала, первый клиппер, второй вход которого соединен с вторым выходом стандарта частоты и времени, и первое буферное запоминающее устройство, выход которого соединен с вторым входом измерителя задержек и их производных, последовательное подключенные к выходу второго гетеродина первый фазовращатель на 90°, третий смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, второй усилитель второй промежуточной частоты и второй фазовращатель на -90°, выход которого соединен с вторым входом сумматора, отличающееся тем, что оно снабжено блоком эталонных частот, четвертым и пятым смесителем, усилителем третьей промежуточной частоты, вторым перемножителем, двумя фильтрами нижних частот, экстремальным регулятором, блоком регулируемой задержки, индикатором дальности и измерителем доплеровской частоты, причем к выходу канала последовательно подключены четвертый смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом блока эталонных частот, усилитель третьей промежуточной частоты, пятый смеситель, второй вход которого соединен со вторым выходом блока эталонных частот, первый фильтр нижних частот и измеритель доплеровской частоты, к выходу ключа последовательно подключены второй перемножитель второй фильтр нижних частот, экстремальный регулятор и блок регулируемой задержки, второй вход которого соединен с выходом генератора псевдослучайного сигнала, первый выход соединен с вторым входом второго перемножителя, а второй выход подключен к индикатору дальности.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к средствам передачи сигналов единого времени по телекоммуникационным сетям. .

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при производстве электронных кварцевых часов. .

Изобретение относится к спосо бам передачи сигналов точного времени и может быть использовано для синхронизащш шкал времени территориально удаленных объектов. .

Изобретение относится к технике связи и радиотехники и может быть использовано для сличения шкал времени, разнесенных на большие расстояния. Устройство синхронизации часов, реализующее предлагаемый способ, содержит стандарт 1 частоты и времени, блок 2 гетеродинов, первый 2.1 и второй 2.2 гетеродины, генератор 3 псевдошумового сигнала, переключатель 4, первый 5, второй 13 и третий 24 смесители, усилитель 6 первой промежуточной частоты, первый 7 и второй 12 усилители мощности, дуплексер 8, приемо-передающая антенна 9, первый 14 и второй 25 усилители второй промежуточной частоты, первый 10 и второй 15 клипперы, первое 11 и второе 16 буферное запоминающие устройства, измеритель 17 задержки и их производных, блок 18 регулируемой задержки, перемножитель 19, фильтр 20 нижних частот, экстремальный регулятор 21, микропроцессор 22, третий генератор 23, второй коррелятор 26, пороговый блок 27 и ключ 28. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости и точности синхронизации удаленных шкал времени путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному каналу и комбинационным каналам. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано в радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ), а также в службе единого времени и частот. Устройство, реализующее предлагаемый способ синхронизации часов, содержит стандарт 1 частоты и времени, первый 2.1 и второй 2.2 гетеродины, генератор 3 псевдослучайного сигнала, переключатель 4, первый 5 и второй 13 смесители, усилитель 6 первой промежуточной частоты, первый 7 и второй 12 усилители мощности, дуплексер 8, приемопередающую антенну 9, первый 10, второй 15, третий 32, четвертый 33 и пятый 34 клипперы, первое 11, второе 16, третье 35, четвертое 36 и пятое 37 буферные запоминающие устройства, усилитель 14 второй промежуточной частоты, первый 17, второй 38, третий 39 и четвертый 40 измерители задержек и их производных, усилитель 18 первой суммарной частоты, усилитель 19 второй суммарной частоты, первый 20, второй 21, третий 28 и четвертый 29 амплитудные детекторы, первый 22, второй 23, третий 30 и четвертый 31 ключи. Технический результат заключается в расширении диапазона рабочих частот без расширения диапазона частотной перестройки второго гетеродина и одновременной дуплексной радиосвязи с несколькими наземными пунктами путем использования дополнительных каналов приема. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах единого времени, радионавигационных системах наземного базирования, в пространственно распределенных системах контроля и управления при решении задач, связанных с синхронизацией частот и шкал времени удаленных пунктов, например пунктов системы контроля за ГЛОНАСС. Система содержит N навигационных космических аппаратов спутниковых радионавигационных систем, устройство синхронизации, блок приема и преобразования навигационных сигналов, блок совместного измерения кодовых и фазовых псевдодальностей, блок коррекции тропосферной и ионосферной погрешностей, блок измерения отклонений частоты и времени, блок усреднения, блок передачи поправок, блок приема поправок, опорный генератор и формирователь шкалы времени. Технический результат заключается в возможности проведения удаленной синхронизации любого пункта в автоматическом непрерывном режиме с минимальной погрешностью. 1 ил.
Наверх